中科院研究團隊DLP技術(shù)打印AlN陶瓷

供稿人:王程冬 魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

氮化鋁（AlN）具有很高的理論熱導(dǎo)率（319 W /（m·K））,具有良好的電絕緣性，低的熱膨脹系數(shù)和較高的機械強度，是一種在散熱器和微電子應(yīng)用的有廣泛前途的陶瓷材料。DLP技術(shù)可以制造具有微小結(jié)構(gòu)的小型組件，中科院研究團隊基于此種技術(shù)打印AlN陶瓷并對其導(dǎo)熱性和力學(xué)性能進行了探究。

研究團隊將AlN粉末和Y2O3粉末分散在光敏樹脂中，加入觸變劑并球磨來制備55vol％的高固相低粘度的陶瓷漿料，在500℃下脫脂，在1780℃—1845℃間不同溫度燒結(jié)，圖1所示為1845℃燒結(jié)的零件，圖1（a）顯示了兩個帶螺紋的小零件。 從圖1（d）,（e）和（f）中可以明顯看出，在這兩個小部分中具有漸變尺寸和恒定尺寸的微米級螺紋和凹槽。其表面是光滑的，凹槽邊緣沒有毛刺，圖1（b）和（c）中為具有不同尺寸的坩堝和基底。

圖1 AlN陶瓷的宏觀圖像和相應(yīng)的顯微圖像：（a）帶有螺紋的小零件，（b）不同尺寸的坩堝，（c）基底，（d）是（a）中的A的高倍率圖像，（e）是（a）中的B的高倍率圖像和（f）是（a）中的C的高倍率圖像

圖2（左）中 AlN陶瓷的導(dǎo)熱率從82 W /（m·K）變化到155 W /（m·K），并且隨著燒結(jié)溫度的升高而增加。隨著溫度的升高，樣品的密度增加，孔隙率降低。因此，研究人員認(rèn)為AlN-1845的最高導(dǎo)熱率可歸因于致密化過程中明顯降低的晶界和點缺陷。彎曲強度在139MPa至265 MPa范圍內(nèi)，并隨溫度的升高而增加。

圖2不同溫度下燒結(jié)的AlN陶瓷的熱導(dǎo)率（左）不同溫度下燒結(jié)AlN陶瓷的彎曲強度（右）

本文研究團隊使用DLP 技術(shù)和熱處理結(jié)合工藝成功實現(xiàn)具有高導(dǎo)熱性和高抗彎強度的近凈成形的AlN陶瓷制造，研究了溫度對AlN陶瓷相變，微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱性能和彎曲性能的影響。這項工作中采用的方法可以進一步應(yīng)用以制備其他具有復(fù)雜形狀的功能陶瓷，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：
Wenyan Duan,Shan Li,Gong Wang,Rui Dou,Li Wang,Yubei Zhang,Haiqing Li,Huihui Tan. Thermal conductivities and mechanical properties of AlN ceramics fabricated by three dimensional printing[J]. Journal of the European Ceramic Society,2020